（报告出品方/作者：天风证券，潘暕、程如莹）

1.新能源汽车开启半导体行业新一轮成长趋势

汽车三化（电动化、网联化、智能化）趋势将带动汽车半导体需求大幅增长。根据国务院 办公厅 2020 年发布《新能源汽车产业发展规划（2021-2035 年）》，新能源汽车已成为 全球汽车产业转型发展的主要方向和促进世界经济持续增长的重要引擎，过去 10 年中国 新能源汽车已经从 0 到 1 突破，有望迎来 1 到 N 的加速发展段，而电动化、网联化、智 能化也成为汽车产业的发展趋势，其中半导体在三化发展中起到至关重要的作用，是汽车 三化发展的核心支撑，随着三化的发展有望带动汽车半导体需求大幅度增长。

1.1. 汽车半导体量价齐升，市场空间正快速扩大

BEV 纯电动车有望成为未来新能源汽车发展的主要方向。新能源汽车根据发动机主要可 以分为 HEV（混合电动汽车）、PHEV（插电式混合电动汽车）、BEV（纯电动汽车）。其 中，HEV 是最常见的混合动力类型，它的动力驱动方式可以通过使用燃料的发动机和带 有电池的电动机。PHEV 电池容量比较大，由较长的纯电续航里程，且有充电接口，一般 需要专用的供电桩进行供电，在电能充足的时候，采用电动机驱动车辆，而电能不足时， 发动机发电给动力电池。BEV 则不需要燃油机，只需要依靠电池提供能量，所以会配置较 大容量的电池。BEV 的优势在于零排放。受益于国家的双碳计划，BEV 有望成为未来新 能源汽车发展的主要方向。
 

中国新能源汽车销量增速高于全球，2020 年中国新能源汽车销量达到 136.7 万辆。根据 EV-volumes 公布的数据，2014 年全球新能源汽车销量为 32.1 万辆，2020 年达到 324 万辆，2014-2020 年复合增长率为 47%；根据中国汽车工业协会公布的数据，2014 年 中国新能源汽车销量为 7.5 万辆，2020 年达到 136.7 万辆，2014-2020 年复合增长率 为 62%；整体来看全球与中国新能源汽车销量皆快速增长，且中国的增速高于全球。

双碳计划促进新能源汽车发展，新能源汽车的碳减排潜力相较传统燃油车更具优势。国内 要实现双碳目标，可能性路径包括中国工业和公路交通等领域加速电气化、加速部署可再 生电源等零碳电源等。受益于双碳目标，新能源汽车替代传统燃油车已是大势所趋。在车 辆使用阶段，新能源汽车的碳减排潜力有明显优势。纯电动汽车与油车相比，单车运行阶 段减排比例介于 2~43%。若电动汽车的电耗降低，新能源电力使用比例提高，新能源汽 车减排量比例还会进一步提升。
 

2021 年上半年全球新能源汽车销量同比接近翻倍，全球各国家销量皆大幅度提升。根据 EV-volumes 预测，2021 年全球新能源汽车销量预计达到 640 万，相较于 2020 年同比 增长 98%。全球轻型汽车市场已从 2020 年上半年的 -28% 的低迷中部分恢复，同比增 长 28%。2021 年上半年部分地区新能源汽车由于基数较低因此呈倍数增长，欧洲同比增长 157%，中国同比增长 197%，美国同比增长 166%，其余市场同比增长达到 95%；除 日本外，所有主要市场在今年上半年的电动汽车销量和份额均创下新纪录。

中国新能源汽车渗透率预计在 2025 年达到 20%，预计中国新能源汽车销量超过 600万辆。 国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划(2021－2035 年)》提出，新能源汽车新车销 售量达到汽车新车销售总量的 20%左右；此外中汽协预测 2025 年中国汽车销量或到 3000 万辆，根据保守线性推算，我们预计 2025 年中国新能源汽车销量达到 600 万辆，年复合 增速达到 34.4%。根据中汽协预测未来五年中国新能源汽车销量年均增速 40%以上的预测， 2025 年新能源汽车销量预计达到 735 万辆。

2020 年新能源汽车半导体价值量 834 美金。根据英飞凌、IHS、Automotive Group 等 多家机构测算，2020 年 FHEV、PHEV、BEV 单车半导体的成本到了 834 美元，相较 于传统燃油车的汽车半导体价值 417 美元，单车半导体价值量翻倍成长；相较于 48V轻混合车，单车半导体价值量增加 45.8%。预计 2025 年，48V 轻混车、FHEV/PHEV/BEV销量分别将达到 1880 万辆、2100 万辆，基于 2020 年单车半导体 BOM 静态测算，2025 年车用半导体市场规模将达到 282.7 亿美元。

新能源汽车半导体价值量持续增加，保守估计 2025 年中国市场规模达到 70 亿美元。随 着汽车电动化、智能化、网联化发展，半导体在单车上的整体价值也越来越高，根据 Gartner 预测的数据，2024 年单辆汽车中的半导体价值有望超过 1000 美元，根据前四年的年复合 增长率预测，预计 2025 年达到 1046 美元，中国 2025 年新能源汽车预计达到 600-700 万量，经测算中国新能源汽车半导体市场规模在 2025 年有望达到 62.8 亿-73.2 亿美元。

汽车半导体国产化率仅 10%，前八大欧美日企业占整体市场的 63%。根据 ICVTank 数 据，2019 年汽车半导体前八大企业为欧美日公司，包含恩智浦、英飞凌、瑞萨半导体、 意法半导体、德州仪器等，占整体市场规模的 63%。从自主汽车芯片产业规模来看，欧美 日占据整体市场的 93%，欧洲、美国和日本公司分别占 37%、30%和 25%市场份额；中 国公司仅为 3%，根据中国汽车芯片产业创新战略联盟数据显示，国内汽车行业中车用芯 片自研率仅占 10%，国内汽车芯片市场基本被国外企业垄断，并且具备 90%的替代空间
 

1.2. 电动化+数字互联带动功率模拟芯片、控制芯片、传感器需求提升

半导体是汽车发展趋势（电驱化、数字互联）的核心。汽车在电动化、智能化、网联化的 发展过程中，半导体是发展的核心支撑。1）电驱化（电动化），电动与混动汽车的发展要 求动力传动系统向电气化迈进，其中由电池、电机、电控组成的三电系统主要以功率半导 体为主，包含 IGBT、MOSFET 等。2）数字互联（智能化、网联化），智能化发展带动 具备 AI 计算能力的主控芯片市场规模快速成长；此外智能与网联相辅相成，核心都是加 强人车交互，除了加强计算能力的主控芯片外，传感器、存储也是核心的汽车半导体，包 含自动化驾驶的实现使传感器需求提升、数据量的增加带动存储的数量和容量的需求提升。

汽车半导体绝对值在增长，从分类中功率半导体价值量增加幅度最大。新能源汽车相比传 统燃油车，新能源车中的功率半导体价值量提升幅度较大。按照传统燃油车半导体价值量 417 美元计算，功率半导体单车价值量达到 87.6 美元，按照 FHEV、PHEV、BEV 单车 半导体价值量 834 美元计算，功率半导体单车价值量达到 458.7 美元，价值量增加四倍 多。
 

1.3. 新能源汽车的电力系统中，功率 IGBT 价值占比达 52%

新能源汽车核心-三电系统（电池、电机、电控）。1）电池是新能源汽车的能量来源，替 换传统燃油汽车的油箱；动力电池系统主要由电芯、电池管理系统等组成。2）电机负责 将电能转换为机械能，包含定子、转子等；3）电控如同汽车的大脑，用来控制电机的启 动、暂停、转速、扭矩等各项“动作”。三电系统需要大量的半导体产品包括功率半导体、 模拟芯片、控制芯片等；随着电动汽车的发展与普及，汽车半导体迎来快速发展期。

电力系统主要分为四大类：DC/DC 转换器、电池管理系统(BMS)、逆变器、车载充电器。 1）电池管理系统作为电池安全运用的有力保障，使得电池时刻处于安全和可控制的充放 电使用过程中，大大提高了电池在实际使用过程中的循环使用寿命；2）车载充电器是内 置在车辆里，用于停车时从交流电网为高压电池再充电的系统；3）逆变器的作用在于将 汽车 12V 或 24V（货车用）直流电转换为和市电相同的 220V 交流电；4）DC/DC 转换 器的作用在于把常电处理成其它电路设备用的小电压，或把原先的电源加以优化，使得供 电系统更加稳定，同时，DC/DC 转换器也有保护的作用。
 

逆变器是汽车的关键部件，主要用到的半导体芯片为 IGBT。逆变器类似于燃油车的发动 机管理系统 EMS，决定着驾驶行为。无论电机是同步、异步还是无刷直流电机，逆变器 始终以类似的方式运行，其设计应最大限度地减少开关损耗并最大限度地提高热效率。 IGBT 是电动汽车逆变器的核心电子器件，重要性类似电脑里的 CPU。

DC-DC 转换器供电给汽车低压电子系统。DC/DC 变换器是新能源汽车必须配置的功能， 类似燃油汽车中配置的低电压发电机总成，其功能是给车载 12V 或 24V 低压电池充电， 并为整车提供全部的低压供电。在新能源汽车中会配置一个 DC/DC 变换器作为能量传递 部件，从车载动力电池取电，提高能源的利用率，给车载 12V 或 24V 低压电池充电，并 为整车提供全部的低压电子系统供电。

BMS 电池管理系统是电动汽车中电池组的大脑。BMS 可根据起动能力对充电状态、健康 状态和功能状态进行快速、可靠的监测，以提供必要的信息。因此，BMS 能够最大限度 地降低因为电池意外失效而导致的汽车故障次数，从而尽可能地提升电池使用寿命和电池 效率，并实现二氧化碳减排功能。
 

OBC 车载充电器主要功能是为电池充电。OBC 的核心功能是整流电源输入，并将其转换 为适合电池的充电电压——可能是 400V 或越来越多的 800V。一个典型的 OBC 由多个 级联级组成，包括功率因数校正（PFC）、DC/DC 转换器、次级整流、辅助电源、控制及 驱动电路。OBC 具有多种功率等级，功率等级越高，充电时间就越短。最流行的 OBC 功率等级是 3.3kW、6.6kW、11kW 和 22kW。

新能源汽车动力系统中，逆变器 IGBT 价值量占比 52%。在电动传统系统中，主逆变器负 责控制电动机，是汽车中的一个关键元器件，决定了驾驶行为和车辆的能源效率。并且， 主逆变器还用于捕获再生制动释放的能量并将此能量回馈给电池，所以，车辆的最大行程 与主逆变器的效率直接相关。

2.IGBT为新能源应用刚需芯片，国产替代&行业红利双击

2.1. IGBT 设计和工艺难度大、产品生命周期长、高压应用门槛高

2.1.1. IGBT 结构不断升级，协同第三代半导体技术创新

IGBT 是一个电路开关，透过开关控制改变电压。IGBT（绝缘栅双极型晶体管，Insulated Gate Bipolar Transistor）是一个三端器件，也是重要的分立器件分支，属于分立器件中 的全控型器件，可以同时控制开通与关断，具有自关断的特征，即是一个非通即断的开关。 IGBT 拥有栅极 G（Gate）、集电极 C（Collector）和发射极 E（Emitter），其开通和关 断由栅极和发射极间的电压 UGE 决定；在 IGBT 的栅极和发射极之间加上驱动正电压， PNP 晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通。

IGBT 结合了 MOSFET 与 BJT 的优势。IGBT 结合了 MOSFET 与 BJT 的优点，既有 MOSFET 的开关速度快，输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小的优点， 又有 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点，此外为了提升 IGBT 耐压，减小拖 尾电流，结构相对复杂。IGBT 被各类下游市场广泛使用，是电力电子领域较为理想的开 关器件。

GBT 工艺与设计难度高，产品生命周期长。IGBT 芯片结构分为正面（Emitter side）和 背面（Collectoer side）。从 80 年代初到现在，IGBT 正面技术从平面栅（Planar）迭代 至沟槽栅(Trench)，并演变为微沟槽（Micro Pattern Trench）；背面技术从穿通型（PT, Punch Through）迭代至非穿通型（NPT, Non Punch Through），再演变为场截止型（FS, Field Stop）。技术的迭代对改善 IGBT 的开关性能和提升通态降压等性能上具有较大帮助， 但是实现这些技术对于工艺有着相当高的要求，尤其是薄片工艺（8 英寸以上的硅片当减薄至100~200um 后极易破碎）以及背面工艺（因正面金属熔点的限制，所以背面退火激活的难度大），这也是导致 IGBT 迭代速度较慢。

此外，IGBT 产品具有生命周期长的特点， 以英飞凌 IGBT产品为例，该产品已迭代至第七代，但其发布于 2000年代初的第三代 IGBT 芯片技术在 3300V、4500V、6500V 等高压应用领域依旧占据主导地位，其发布 于 2007 年的第四代 IGBT则依旧为目前使用最广泛的 IGBT 芯片技术，其 IGBT4 产品的收入增长趋势甚至持续到了第 15 年。（报告来源：未来智库）

高密度、高可靠性、更好的集成散热功能是 IGBT 未来发展趋势。英飞凌作为全球 IGBT 龙头企业，产品技术已成为本土厂商的对标。截至 2021 年，英飞凌产品已迭代至第七代。 其中，第五代与第六代均属于第四代的优化版（第五代属于大功率版第四代，第六代属于 高频版第四代）。IGBT 器件需要承受高电压和大电流，对于稳定性、可靠性要求较高。未 来，IGBT 会朝着更小尺寸、更大晶圆、更薄厚度发展，并通过成本、功率密度、结温、 可靠性等方面的提升来实现整个芯片结束的进步。此外，IGBT 模块的未来趋势也将朝着 更高的热导率材料、更厚的覆铜层、更好的集成散热功能和更高的可靠性发展。

第三代半导体物理特性相较于 Si 在工作频率、抗高温和抗高压具备较强的优势。半导体 材料领域至今经历了多个发展阶段，相较而言，第三代半导体在工作频率、抗高温和抗高 压等方面更具优势。第一代半导体材料主要包括硅（Si）和锗（Ge），于 20 世纪 40 年代 开始登上舞台，目前主要应用于大规模集成电路中。但硅材料的禁带宽度窄、电子迁移率 低，且属于间接带隙结构，在光电子器件和高频高功率器件的应用上存在较大瓶颈，因此 其性能已难以满足高功率和高频器件的需求。

新材料推进新产品发展，高压高频领域适用 SiC。碳化硅在绝缘破坏电场界强度为硅的 10 倍，因此 SiC 可以以低电阻、薄膜厚的漂移层实现高耐压，意味着相同的耐压产品 SiC 的面积会比 Si 还要小，比如 900V SiC-MOSFET 的面积是 Si-MOSFET 的 1/35。因 此，硅基的 SJ-MOSFET 只有 900V 左右的产品，SiC 可以做到 1700V 以上且低导通 电阻。Si 为了改善高耐压化所带来的导通电阻增大主要采用 IGBT 结构，但由于其存在开关损耗大产生发热、高频驱动受到限制等问题，所以需借由改变材料提升产品性能。SiC 在 MOSFET 的结构就可实现高耐压，因此可同时实现高耐压、低导通电阻、高速，即使 在 1200 V 或更高的击穿电压下也可以制造高速 MOSFET 结构。

SiC MOSFET 具备一定优势，但成本较高。就器件类型而言，SiC MOSFET 与 Si MOSFET 相似。但是，SiC 是一种宽带隙（WBG）材料，其特性允许这些器件在与 IGBT 相同的高功率水平下运行，同时仍然能够以高频率进行开关。这些特性可转化为系统优势， 包括更高的功率密度、更高的效率和更低的热耗散。然而，受制于制造成本和产品良率影 响，SiC 产品价格较高。由于 Si 越是高耐压的组件、每单位面积的导通电阻变高(以耐压 的约 2～2.5 倍增加)，因此 600V 以上的电压则主要使用 IGBT。

但是 IGBT 是藉由注入 少数载子之正孔于漂移层内，比 MOSFET 可降低导通电阻，另一方面由于少数载子的累积，断开时产生尾电流、造成开关的损耗。SiC 由于漂移层的电阻比 Si 组件低，不须使用 传导度调变，可用高速组件构造之MOSFET以兼顾高耐压与低电阻，可实现开关损耗的 大幅削减与冷却器的小型化。SiC 在制造和应用方面又面临很高的技术要求，因此 SiC Mosfet 价格较 Si IGBT 高。

根据功率器件的特性，不同功率器件的应用领域各有不同。虽然 IGBT 结合了 MOSFET 与 BJT 的优势，但三者根据各自的器件性能优势，都有适合的应用领域。BJT 更强调工 作功率，MOSFET 更强调工作频率，IGBT 则是工作功率与频率兼具。BJT 因其成本优 势，常被用于低功率低频率应用市场，MOSFET 适用于中功率高频率应用市场，IGBT 适用于高功率中频率应用市场。高功率密度的 IGBT 在性能、可靠性等方面将继续发展， 因此在较长一段时间内仍会是汽车电动化的主流器件。SiC 组件具有高压、高频和高效率 的优势，在缩小体积的同时提高了效率，相关产品则主要用于高压高频领域。